天問一號：火星開門吧，我到啦！
作者：郭超凱
北京時間5月15日，天問一號著陸巡視器穩穩地降落在預選著陸區——火星北半球的烏托邦平原，中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功。
天問一號探測器于2020年7月23日發射，在今年2月到達火星，成功被火星捕獲。經過3個月的養精蓄銳，天問一號已在近日實施降軌，完成著陸巡視器與環繞器分離。在成功軟著陸于火星表面後，不久中國首輛火星車“祝融號”也將駛離著陸平臺，開展巡視探測等工作。
此次天問一號登陸火星有什麼難點？“祝融號”火星車會以何種方式探索火星？背後又有什麼故事呢？
著陸火星經歷“黑色九分鐘”
被火星成功捕獲以後，天問一號經過幾個月的充分準備，終於開啟了第二階段任務——“著陸”。火星的北半球多平原，南半球多山地，因此此次天問一號著陸巡視器軟著陸火星的地點，就選擇在火星北半球的烏托邦平原南部。
整個降落過程大致分為進入——減速——軟著陸三步，簡稱為EDL(Entry， Descent，Landing)。據中國航太科技集團五院總體設計部火星探測器總體主任設計師王闖介紹，天問一號在進入火星大氣層以後首先借助火星大氣，進行氣動減速，這個過程它克服了高溫和姿態偏差。氣動減速完成後，天問一號的下降速度也減掉90%左右。
“緊接著天問一號打開降落傘進行傘係減速，當速度降至100m/s時，天問一號通過反推發動機進行減速，由大氣減速階段進入動力減速階段。”王闖介紹，在距離火星表面100米時，天問一號進入懸停階段，完成避障和緩速下降後，著陸巡視器在緩衝機構的保護下，抵達火星表面。總的來說，整個過程天問一號要在9分鐘內從約2萬千米/小時的速度降至到0米/小時。
值得一提的是，雖然此前中國已有月表著陸經驗，但此次天問一號火星軟著陸任務更加艱難。一方面火星表面存在大氣(火星表面大氣的密度是地球表面大氣密度的1%左右)，火星環境比月球更複雜；另一方面火星離地球距離更加遙遠，通信時延單程達到20分鐘左右，因此在整個著陸過程，相距遙遠的地球科學家們來不及做任何處置，只能靠天問一號自主完成這“黑色九分鐘”。
13個載荷助天問一號探索火星
成功著陸後，天問一號“繞”“著”“巡”的串聯任務終於進行到最後一步。著陸後，天問一號進入艙將著陸資訊通過環繞器轉發地面。進入艙和“祝融號”火星車先後完成坡道及太陽翼天線展開，“祝融號”火星車將在第一時間將成功展開的消息傳回地面。一切準備就緒後，火星車將自主駛離進入艙，抵達火面，開始新的征程。
探測火星不僅是工程任務的突破，更是行星科學領域的突破。除了常規的通信、能源(太陽能帆板)、支撐結構、動力系統等部分外，天問一號整體上攜帶了13個科學載荷，其中7個在火星上空的環繞器上，6個分佈在火星車上。
據介紹，天問一號環繞器搭載的7個科學載荷分別是中解析度相機、高解析度相機、次表層探測雷達、火星礦物光譜探測儀、火星磁強計、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀。而6個分佈在火星車上的科學載荷，則分別為多光譜相機、次表層探測雷達、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機。
據專家介紹，這些科學載荷有著五大使命，主要涉及火星空間環境、地表形貌特徵、土壤表層結構等研究，將給中國帶來火星的第一手資料。其中，與氣象有關的研究項目將收集有關溫度、氣壓、風速和風向的大氣數據，並研究火星的磁場和重力場，這些也將解答大眾的好奇，如火星究竟是什麼樣的氣候。
“祝融號”如何“荒野求生”？
此前，中國首次火星探測任務總設計師張榮橋曾對外公佈“祝融號”火星車的配置細節：火星車品質約240公斤，為6輪獨立驅動，攜帶6台載荷，其太陽翼呈蝴蝶翼形。因此有人形象地將“祝融號”火星車比喻為“火星蝴蝶”。
火星環境是出了名的惡劣，要想完成使命，“祝融號”火星車必須足夠強大，努力“活下來”。中國曾數次造訪月球，積累了寶貴經驗。但月球與火星最大的不同，在於月表近乎真空，而火星有大氣層，這大大增加了探索火星的難度。
從以往火星探測器拍攝的圖片來看，火星的地貌似乎與地球上的沙漠戈壁無異。但事實上，火星上的風速可達每秒180米，這幾乎是地球上特大颱風風速的三倍多。這如野獸般兇暴的烈風會掀起大量的沙塵、石塊，形成特大沙暴。讓“祝融號”火星車的“眼睛”蒙塵，“翅膀”不再靈活。面對這種情況，設計師使用了一種新型材料，這種材料不易沾上灰塵，即使沾上也可以通過振動將其抖落。
火星表面還密布著石塊等障礙物，這就使得火星車的行駛需要更加“小心翼翼”，以免被障礙物卡住造成操作的遲滯。那如何才能火星車的每一步都走得更加穩妥呢？設計師們也想出了應對之策。在中國航太科技集團五院的實驗室中，有一台與“祝融號”一模一樣的火星車。當“祝融號”在火星上遇到複雜路況時，地球上的火星車將對火星路況進行模擬行駛，確認無誤後才會發出指令。
按照計劃，在緊張工作90個火星日後，“祝融號”火星車將結束巡視探測工作，天問一號環繞器也將進行軌道調整，從而開展環繞科學探測。
“一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以後引起美國得克薩斯州的一場龍捲風。”曾有學者用上述語言形容“蝴蝶效應”。如今，“祝融號”這只全球矚目的“火星蝴蝶”已成功著陸火星，後續又會帶給我們什麼意外驚喜，讓我們一起拭目以待吧。
